Technical Note: Testing pore-water sampling, dissolved oxygen profiling and temperature monitoring for resolving dynamics in hyporheic zone geochemistry  

技術說明：測試孔隙水采樣、溶解氧剖面測量和溫度監測在解析潛流帶地球化學動態中的應用  

來源：EGUsphere Preprint, Discussion started: 24 April 2023  

EGUsphere預印本，2023年4月24日啟動討論  

 

摘要內容

 

該研究評估了三種方法（Rhizon孔隙水采樣器、自制光纖氧傳感器和溫度監測系統）在潛流帶（HZ）高分辨率時空動態監測中的適用性。通過在德國Moosach河細粒沉積物區域的現場實驗，發現：  

Rhizon采樣器適用于溶解性物質（如離子）的重復采樣，但氣體（CH?）濃度和同位素組成受抽水速率顯著影響（圖2c,f）。  

 

 

自制光纖氧傳感器可精準定位氧化-缺氧界面（分辨率1cm）（圖3a），但近飽和氧濃度的絕對測量存在不確定性。  

 

溫度監測結合VFLUX軟件成功反演垂向潛流通量（圖4），并揭示了沉積動態（淤積/侵蝕）。  

 

 

多技術聯用顯著提升了對潛流帶生物地球化學過程的解析能力。  

 

研究目的

開發高時空分辨率監測潛流帶地球化學動態的方法組合。  

 

評估Rhizon采樣器在氣體測量中的局限性及適用條件。  

 

驗證低成本光纖氧傳感器和溫度監測在定位氧化還原界面及量化水通量中的有效性。  

 

研究思路

站點設計：在細粒沉積河床（70%粉砂，21%有機質）安裝含15個Rhizon采樣器（垂向分辨率3cm）的監測站，輔以光纖氧傳感器和14個溫度傳感器（圖1）。  

 

 

對照實驗：設置3種抽水速率（0.09, 0.19, 0.38 mL/min）采集孔隙水，與透析采樣器（peeper）數據對比（圖2）。  

 

參數測量：  

 

離子（Ca2?、Mg2?、Cl?等）  

 

穩定同位素（δ1?O-H?O、δ2H-H?O、δ13C-CH?）  

 

CH?濃度  

 

溶解氧剖面（光纖傳感器 vs. Unisense微電極）  

 

溫度梯度（垂向分辨率2-6cm）  

數據分析：  

 

統計檢驗不同采樣方法差異（Mann-Whitney U檢驗）。  

 

溫度數據用VFLUX軟件估算潛流通量（Hatch和Keery模型）。  

 

測量數據及研究意義

離子濃度（Ca2?、Mg2?、Cl?）（圖2a-b, 圖C1）  

 

數據：Rhizon與peeper數據高度一致（差異<7%），抽水速率無顯著影響。  

 

意義：驗證Rhizon對溶解性離子的可靠性，適用于長期動態監測。  

CH?濃度與δ13C-CH?（圖2c,f, 圖5）  

 

 

數據：CH?濃度隨抽水速率升高而增加且變異性增大；δ13C-CH?在低濃度（<950 μmol/L）時分餾顯著（最高-65.9‰ vs. peeper的-71.2‰）。  

 

意義：揭示抽水速率導致氣體相行為差異（氣泡遷移/脫氣），高估CH?濃度且引起碳同位素分餾（圖5）。  

溶解氧剖面（圖3a）  

 

數據：光纖傳感器精準定位氧化-缺氧界面（-15cm處劇變），與Unisense微電極數據吻合。  

 

意義：避免采樣污染，為氧化還原過程提供原位依據。  

溫度數據與潛流通量（圖4）  

 

數據：淺層下滲通量達1×10?? m/s（85 cm/天），深層上涌通量約-5×10?? m/s（-4.2 cm/天）。  

 

意義：量化水交換速率，識別沉積動態（如夏季淤積導致溫度信號衰減）。  

 

結論

Rhizon采樣器的適用性：  

 

溶解性離子測量可靠，但氣體測量存在局限——CH?濃度和δ13C受抽水速率影響，細粒沉積物中氣泡行為是主因。  

 

推薦低抽速（≤0.09 mL/min）或用于粗粒沉積物（氣體溶解態為主）。  

原位傳感器優勢：  

 

自制光纖氧傳感器可高分辨定位氧化-缺氧界面（生態關鍵參數）。  

 

溫度數據有效反演潛流通量及沉積動態，支撐模型參數化（擴散系數溫度依賴性）。  

多技術聯用價值：  

 

結合孔隙水化學、氧界面定位和溫度通量，可解析洪水/干旱等事件對營養循環和溫室氣體排放的脈沖效應。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

研究中Unisense微電極（Clark型）主要用于兩方面：  

校準自制光纖氧傳感器（圖3a）：  

 

作為基準儀器，在peeper腔室中直接測量溶解氧（避免大氣擴散干擾），驗證自制傳感器在低氧區的精度（<20 μmol/L）。  

 

意義：確認光纖傳感器毫米級分辨率在陡峭氧化還原梯度區的可靠性（如-15cm界面），使其能獨立用于原位監測。  

快速評估peeper腔室氧濃度：  

 

在peeper取出后立即穿刺膜測量，克服傳統采樣的大氣污染問題。  

 

意義：精準刻畫氧化-缺氧界面位置，為解釋氮循環（如硝化/反硝化分區）和CH?產生區（缺氧層）提供關鍵邊界條件。  

 

核心價值：Unisense電極的高靈敏度和抗干擾性使其成為驗證新技術和獲取高精度氧化還原梯度的"金標準"，尤其彌補了Rhizon采樣（氧污染風險）和光纖傳感器（近飽和區誤差大）的缺陷。